Stratégie numérique dédiée à la pollution de l'air due au trafic dans les zones urbaines via des simulations CFD et des expérimentations : de la cartographie de pollution extérieure/intérieure jusqu'au placement optimal de panneaux dépolluants

CFD-based numerical strategy and full-scale experiment applied to traffic air pollution in urban area : rom outdoor/indoor air pollutant cartographies to mitigation through the smart placement of depolluting panel

• Auteur / Autrice : Tsubasa Hamada
• Direction : Julien Waeytens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 30/11/2023
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Instrumentation et d'Expérimentation en mécanique des Fluides et Thermo-hydraulique (Gif-sur-Yvette, Essonne) - Laboratoire d'Instrumentation et d'Expérimentation en mécanique des Fluides et Thermo-hydraulique (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Waeytens, Nadège Martine Blond, Lionel Soulhac, Yoshihide Tominaga, Isabelle Coll, Olivier Sanchez, Tarik Bourouina, Delphine Lejri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadège Martine Blond, Lionel Soulhac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtres à air

Décontamination

Air

Pollution de l'air

Pollution -- Mesure

Polluants

Écologie chimique

Mécanique des fluides

Air -- Qualité

Mots clés libres

Qualité de l'Air

Simulation numérique

Expérimentation

Mécanique des fluides

Instrumentation

Panneaux dépolluants

Air Quality

Experimentation

Numerical Simulation

Fluid Mechanics

Instrumentation

Depolluting panels

Résumé

La pollution de l'air est un problème majeur pour la santé et l'environnement. En effet, la pollution de l'air extérieur dans les zones urbaines est responsable de millions de décès dans le monde. Les émissions des véhicules constituent l'une des principales sources de pollution extérieure. De surcroît, la pollution de l'air extérieur liée au trafic est transférée vers l'intérieur des bâtiments, entrainant ainsi une détérioration de la qualité de l'air intérieur. Pour atténuer les problèmes de pollution de l'air, l'utilisation de panneaux dépolluants par photocatalyse suscite aujourd'hui un intérêt croissant. Dans ma thèse, j'ai proposé une nouvelle approche visant à placer efficacement des panneaux dépolluants en environnement urbain, dans le but de réduire l'exposition humaine aux polluants de l'air extérieur et intérieur. Mes travaux concernent le développement d'une méthodologie pratique et son implémentation numérique. Ma démarche englobe l'ensemble des étapes : depuis la création automatique d'une géométrie urbaine en 3D, la simulation d'une cartographie détaillée des polluants extérieurs et intérieurs à l'aide de la CFD, jusqu'à la génération de cartes d'indicateurs de sensibilité permettant de sélectionner les emplacements pertinents pour le déploiement de panneaux dépolluants. La stratégie numérique a été appliquée au quartier laboratoire "Sense-City" en conditions contrôlées et à un quartier réel de Paris. Concernant les cartographies de pollution liées au trafic, l'interaction entre la qualité de l'air extérieur et intérieur a été étudiée à l'aide de la CFD et validée par des campagnes de mesure. D'après les résultats numériques et expérimentaux, les concentrations de polluants à l'intérieur atteignent le même niveau qu'à l'extérieur dans les 15 minutes qui suivent l'ouverture des fenêtres (ventilation naturelle). À l'échelle du quartier, grâce à l'indicateur de sensibilité proposé, je montre que des panneaux dépolluants devraient être positionnés sur une partie des trottoirs, des routes et sur la partie inférieure des façades des bâtiments afin d'atténuer l'exposition humaine à la pollution de l'air extérieur et d'empêcher les polluants de l'air extérieur de pénétrer dans les bâtiments. Malgré diverses simplifications, cette stratégie numérique prenant en compte l'aéraulique urbaine permet de distinguer les zones non-efficaces et pertinentes pour le placement de panneaux dépolluants. Cette méthodologie peut être utile comme outil d'aide à la décision pour les collectivités locales lors de la planification urbaine sur des quartiers existants ou nouveaux (et également les bâtiments) dans le but de réduire l'exposition aux polluants

Air pollution is a major issue regarding health and environmental concerns. In fact, outdoor air pollution in urban areas is responsible for millions of deaths worldwide. One of the main outdoor pollutant sources is vehicle emissions. Moreover, there is a transfer of outdoor air pollution to indoor environments, which results in the deterioration of indoor air quality by traffic pollution. To tackle air pollution issues, today, there is growing interest in the use of panels incorporating photocatalytic technology (depolluting panels). In my Ph.D. research, I have developed a novel approach aimed at efficiently placing depolluting panels in urban districts, with the goal of minimizing human exposure to outdoor and indoor air pollutants. My works aim to propose a practical methodology and its numerical implementation. The proposed method encompasses a comprehensive series of steps; from the automatic creation of 3D urban geometry, the computation of detailed outdoor and indoor pollutant cartography using CFD to the generation of sensitivity indicator maps that pinpoint relevant placement for depolluting panel installation through adjoint-based sensitivity analysis. The proposed method was applied to a full-scale experimental district, "Sense-City" in controlled condition scenarios and a real urban area in Paris. Concerning pollution maps, the interaction between outdoor and indoor air quality was investigated using CFD and validated by measurement campaigns. According to the numerical and experimental results, indoor pollutant concentrations reach the same level as outdoors within 15 minutes after opening windows (natural ventilation). At the district scale, thanks to the proposed sensitivity indicator, I show that depolluting panels should be placed on part of the sidewalks, roads and lower floors of building facades in order to mitigate human exposure to outdoor air pollution and to prevent outdoor air pollutants from entering indoors.Despite various simplifications, the numerical strategy was able to distinguish between non-effective and relevant depolluting panel placement areas as regards of urban airflow. This methodology can potentially serve as a valuable decision-making tool for reducing pollutant exposure during urban planning processes for both new and existing urban areas and buildings